Химический аккумулятор тепла: Рациональное использование тепла: тепловые аккумуляторы

Рациональное использование тепла: тепловые аккумуляторы

unsplash.com

Химик Артем Малахо о том, что такое тепловой аккумулятор и как с его помощью уменьшить экологическую нагрузку

Человечество активно использует энергию двух типов: тепловую и электрическую. Отличительным преимуществом электрической энергии является возможность создать большой потенциал. Как следствие, ее можно транспортировать и накапливать эффективнее, чем тепловую. Передача тепловой энергии осуществляется достаточно эффективно только на короткие расстояния — не более 15 километров, поскольку потери тепла на пути к потребителю очень большие.

В России тепловая энергия используется для систем централизованного отопления, которые в большинстве случаев подразумевают просто сжигание различных видов топлива и превращение их в тепло. При этом затраты на теплоснабжение в нашей стране очень велики и сопоставимы с затратами на электроэнергию. Поэтому одной из важнейших задач является рациональное использование тепла. В России наиболее эффективными системами являются системы одновременной генерации электричества и тепла на тепловых электростанциях. Высокотемпературное тепло, образующееся при сгорании топлива, используется и для отопления, и для получения электричества — КПД этих систем достаточно высок. Естественно, работают они преимущественно зимой, поскольку летом использование полезного тепла минимально. Реализация такой системы возможна при локализации электростанций вблизи больших городов.

В то же время в стране существует большое количество котельных, которые просто сжигают топливо и снабжают теплом здания и сооружения.

Решения для избыточного тепла

При этом существует проблема нерационального использования энергии остаточного тепла, которое образуется как при выработке электроэнергии, так и при сгорании топлива. Такое тепло имеет низкую температуру, его транспортировка и использование затруднены. К сожалению, универсального решения для этого нет, как и для тепла от выхлопных труб автомобилей. Создание эффективных систем преобразования низкопотенциального тепла в электричество могло бы позволить существенно снизить затраты на энергоснабжение, а также нагрузку на окружающую среду. В то же время эффективность существующих термоэлектрических преобразователей недостаточно высока. Другим способом могло бы быть накопление тепла для его использования в необходимое время. Если мы создадим аккумуляторы, способные накапливать тепло летом из воздуха и солнечного света, чтобы использовать его зимой, а зимой накапливать холод, чтобы использовать его летом, то это могло бы существенно сократить затраты на отопление и кондиционирование. К сожалению, эта проблема пока также не решена.

Рекомендуем по этой теме:

FAQ

Редокс-батареи: стационарная энергетика

Существуют различные типы тепловых аккумуляторов, но их эффективность на сегодняшний день невелика. То есть они эффективно справляются с циклами «день — ночь» или циклами на уровне недели, но их эффективность недостаточна для сезонных циклов (зима — лето). Нельзя сказать, что попыток создать такие устройства не было, однако существующие решения имеют большие размеры и требуют существенных вложений.

Аккумуляторы для тепла

Пока мне сложно представить, как будет устроен тепловой аккумулятор в прекрасном будущем, но на сегодняшний день подобные устройства работают следующим образом. Некое вещество или материал с высокой теплоемкостью, например вода, нагревается, в результате энергия аккумулируется. Есть материалы, которые мы просто нагреваем, как воду, а есть так называемые материалы с фазовым переходом. Дело в том, что при фазовом переходе — например, при замерзании воды или плавлении парафина в узком диапазоне температур — можно накопить больше энергии, чем при простом нагреве или охлаждении.

Также существуют аккумуляторы, которые позволяют, например, поглощать или выделять энергию в заданном диапазоне температур за счет реализации химической реакции, а не для одной конкретной температуры. В частности, глауберова соль претерпевает обратимые реакции дегидратации с поглощением тепла (при нагреве) и кристаллизации с его выделением при охлаждении при температуре 35 °C. Модификация состава позволяет проводить эти реакции при температуре около 23 °C — наиболее комфортной температуре для человека, что позволяет стабилизировать температуру при циклах «день — ночь». То тепло, которое мы хотим аккумулировать или утилизировать, обладает низким потенциалом. Чем меньше разница требуемой температуры и температуры теплоносителя, тем ниже потенциал. Чем ниже потенциал, тем тяжелее аккумулировать такую энергию.

Сейчас область наших научных интересов — это химические аккумуляторы тепла. То есть это попытка преобразовать тепло в химические вещества, которые обладают более высоким потенциалом, чем вода или парафин. Ими могут выступать различные соли, кристаллогидраты, оксиды, неорганические вещества. Они должны быть недорогими, доступными, нетоксичными и невзрывоопасными.

Процессы в тепловых аккумуляторах

Естественно, чем более емкий аккумулятор, тем сильнее он подвержен деградации. Скажем, в солевых аккумуляторах возникают различные процессы коагуляции — нарушения исходной структуры, которые ухудшают свойства. Также в этих аккумуляторах есть проблема теплопроводности. То есть они должны не только накапливать энергию, но и уметь эффективно ее отдавать. С другой стороны, так как потенциал проходящих процессов не так велик, как в электрических аккумуляторах, то, конечно, они намного менее подвержены деградации. Они намного устойчивее.

Нужно сказать, что в основе любого аккумулятора лежит либо физический, либо химический процесс. И именно его особенности определяют ту температуру, которую он накапливает и отдает. В частности, вода может накапливать и отдавать температуру эффективно в том диапазоне, в котором она сохраняет свои свойства. Например, если мы говорим о жидкой воде, которая может сама являться и аккумулятором, и теплоносителем, то это температуры выше замерзания, но ниже кипения. Если мы говорим о таком накопителе, как лед, — тогда в диапазоне его устойчивости и плавления. В случае химических накопителей важна температура реакции, которая определяет емкость аккумулятора. В накопителях на фазовых переходах важна температура плавления или кристаллизации вещества. Если мы научимся работать с низкоэффективной тепловой энергией, то сможем решить проблему загрязнения.

Утилизация тепловых устройств

Считается, что технологии альтернативной энергетики, которые создают и преобразуют тепловую и электрическую энергию, экологичнее существующих ТЭЦ. Но нужно понимать, что производство таких систем и цикл их утилизации тоже могут наносить вред окружающей среде. Например, промышленное производство солнечных панелей или ветрогенераторов осуществляется на промышленных предприятиях, которые также оказывают воздействие на окружающую среду. Кроме того, устройства альтернативной энергетики нужно правильно утилизировать. В случае с солнечными батареями, например, перерабатывать кремний, используемый в качестве основы. Существующие отопления и охлаждения используют низкопотенциальную энергию, поэтому использования токсичных или высокоэнергетических материалов не предполагается. Скажем, обычный радиатор отопления состоит из металла, который всегда можно переплавить. Кондиционеры, тепловые насосы и системы, как правило, состоят из металла и пластика, которые подвергаются вторичной переработке. В то же время в условиях ограничения запасов ископаемого топлива и негативного влияния глобального потепления надо приложить все усилия, чтобы максимально использовать образующуюся энергию и стараться не греть атмосферу неэффективно используемым теплом.

Источник: ПостНаука

Тепловой аккумулятор – зачем нужен отопительной системе

Тепловой аккумулятор, узаконенный законодательством ряда стран, продолжает оставаться диковинкой в России. Правда, эксперты отопительной отрасли, реабилитируя местный тренд, констатируют: последние годы популярность буферной емкости заметно подросла.

Как он работает

Теплоаккумулятор подобен электрическому собрату – перехватывает излишки тепла, генерируемые источником, чтобы возвратить калории после остановки источника. Понятно, использовать тепловую буферную емкость рационально с периодически действующими котлами, колонками, другими теплогенерирующими устройствами. Среди таковых:
— большинство твердотопливных котлов, столь любимых россиянами, частью зарубежных обывателей;
— все солнечные коллекторы, стремительно распространяющиеся по югу РФ.

Небольшое пояснение: угольный, древесный котел греет, пока горит, а солнечный бесполезен ночью.

Электрические котлы, аккумуляторы тепла, подчеркивают эксперты, становятся привлекательней на фоне дифференцированных посуточно тарифов энергетиков. Накапливать тепло выгодней ночью при дешевом тарифе. Двукратная разница ценника, например, сулит существенную экономию бюджета – владелец может запрограммировать электрокотел исключительно на ночное электропотребление.

Несколько котлов – один теплоаккумулятор

Подобная схема, объединяющая линейку источников тепла, весьма выгодна. Например, владелец, задумав удешевить теплогенерирующий цикл, применяет твердотопливный котел, работающий ночью, а дневная выработка тепла поддерживается солнечными батареями.

Программируя тандем на минимизацию затрат, можно сэкономить деньги, переключая «автоматом» систему отопления с одного источника на другой. Единственное замечание РЕГЛВЕНТ: выбирая аккумулятор, следует подобрать гаджет, обладающий нужным функционалом.

Эксперты обращают внимание: отечественные производителю, чувствующие сигналы рынка, уже выпускают теплоаккумуляторы под местные климатические особенности, технические нюансы.

«Теплобуферная емкость – твердотопливный котел»

Россияне предпочитают сочетать теплоаккумуляторы с угольными, древесными котлами. Для таких систем выгодный режим – полное энергичное выгорание топлива, дающее максимальную выработку тепла. Медленное горение чревато образованием вредных газов, веществ, засоряющих дымоходы, теплообменники. Экономические показатели медленного горения также ниже.

Понятно, подобный режим приносит максимум тепла за минимум времени – затем котел гаснет, температура дома падает. Конечно, можно подсыпать угля, подложить дровец, а нагнав температуру, отрегулировать комфорт форточкой. Эффективнее все-таки приобрести аккумулятор тепла, утилизирующий избытки калорий.

Модернизированная система отопления выглядит так: имеется котел, тепловой контур системы, проходящий через буферную емкость. На максимальной теплопроизводительности аккумулятор отбирает часть тепла. После выгорания топлива датчики, фиксирующие температуру домашнего воздуха, подают сигнал, включающий циркуляционный насос. Последний инициирует переток горячего теплоносителя из аккумулятора в отопительную систему.

Повысившаяся температура воздуха через датчики останавливает насос, прекращая теплоотдачу аккумулятором. Температура теплоносителя «буфера» несколько снижается. Российские производители применяют высококлассную теплоизоляцию баков аккумуляторов – вода буферных емкостей остывает медленно. Описанный цикл будет реализовываться автоматикой до полного выравнивания температур теплоносителя системы «отопление – теплоаккумулятор».

Новости рынка

Недавно шведские ученые, занимающиеся разработкой эффективных аккумуляторов тепла, совершили прорывное открытие – разработали технологию молекулярной консервации тепла. Основа новинки – вещество, содержащее водород, углерод, азот. Уникальная структура, поглощая фотоны, меняет взаимное положение молекул исходника, запасая энергию. Возникший изомер хранить тепло пару десятков лет.

Вещество – жидкое, хранится при комнатной температуре. Энергия выделяется, когда изомер пропускают через катализатор. Возвращая исходное состояние, изомер разогревается до 80°, если изначальная температура была 20°.

«Зеленое отопление», пояснили шведы, реализуется тандемом «солнечные панели – новое вещество». Основная часть калорий запасается жарким летом, расходоваться тепловыделяющий потенциал будет зимой.

Единственный минус – жидкость реализована, как компьютерная модель. Промышленная установка синтеза вещества – вопрос десяти лет. Пока ученые пытаются довести температуру теплогенерации до 110°, попутно снижая горючесть.

Опередили шведов американцы МТИ, создавшие вещество, напоминающее пластик, и двухсоткратнопревосходящее теплоемкостью воду. Новинка тоже меняет конфигурацию молекулярной решетки, запасая тепло. Назвали аккумулирующее средство AzoPMA, зафиксировав сокращением присутствие азобензола. Возвращение тепла инициируется световым воздействием. Время «консервации калорий» американцы не огласили, ограничившись фразой: «очень долго хранит тепло». Американским «пластиком» можно покрывать крыши коттеджей, шоссейные дороги.

Продолжение

Новый долгосрочный метод хранения возобновляемой энергии с помощью химической системы накопления тепла

По
Хильдегард Сантингер

Растущий глобальный спрос на энергию и изменение климата делают неизбежным отказ от ископаемого топлива, а текущие геополитические события требуют быстрых решений. До сих пор не хватает одного строительного блока — методов долгосрочного хранения избыточной возобновляемой энергии. Существующие методы хранения избыточной энергии имеют серьезные недостатки: в случае батарей емкость хранения слишком мала, а когда солнечная энергия преобразуется в водород, ее, как правило, нельзя хранить долго. Теперь в Институте технологического проектирования, инженерии окружающей среды и технических биологических наук Венского технологического университета, Австрия, была изобретена новая система химического накопления тепла, которая может это изменить.

В основе химической системы хранения тепловой энергии лежит масштабируемый подвесной реактор, в котором избыточное тепло используется для активации твердого материала, аккумулирующего тепло. По аналогии с хранением электроэнергии в аккумуляторе тепло, накопленное в подвесном реакторе, при необходимости может быть высвобождено.

Утилизация отработанного тепла

Химическая система хранения тепла этого типа требует температуры от 70 до 200 градусов Цельсия. Это делает метод особенно подходящим для энергоемких производств и особенно для промышленных предприятий, где вырабатывается отработанное тепло. Температурный диапазон характерен почти для всех отраслей промышленности, от цементной до целлюлозно-бумажной и тепловых электростанций, сжигания отходов и электростанций, объясняет профессор Франц Винтер из Института технологического проектирования, экологического проектирования и технических биологических наук Венского технологического университета. Он добавляет: «Когда на промышленных предприятиях создаются более высокие температуры, они обычно используются. Но отработанное тепло в диапазоне температур от 70 до 200 градусов Цельсия в основном теряется».

Когда на промышленных предприятиях создаются более высокие температуры, они обычно используются. А вот отработанное тепло из температурного диапазона от 70 до 200 градусов Цельсия в основном теряется.

Профессор Франц Винтер, Венский технологический университет

Если для запуска химических реакций используется тепло, то образуются высокоэнергетические химические соединения, которые можно обратить вспять, чтобы снова высвободить энергию. Эта функция позволяет химическому накопителю тепла этого типа накапливать большое количество энергии в течение практически неограниченного периода времени. В результате энергия, накопленная летом, может быть использована зимой для обогрева здания.

Переход энергии на заводах, приводимых в действие сетями постоянного тока

Исследователи из нескольких институтов Фраунгофера работают над долгосрочным переводом электропитания промышленных предприятий на постоянный ток.

Химическая реакция

Для этой цели можно использовать различные химические реакции. В Венском технологическом университете, например, твердый материал борная кислота смешивается с маслом. Гетерогенную маслянистую смесь помещают в реактор и нагревают его стенки до температуры от 70 до 200 градусов Цельсия. Тепло вызывает химическую реакцию, и борная кислота превращается в оксид бора. В процессе выделяется вода. Остается маслянистая суспензия оксида бора, которую можно хранить в резервуарах. Чтобы обратить химическую реакцию вспять и высвободить аккумулированное тепло, воду возвращают в суспензию.

Закрывает термохимический цикл и может быть перезапущен добавлением тепла. «Подвеску можно использовать повторно», — объясняет профессор Винтер. «В лаборатории мы показали, что многие процессы зарядки и разрядки возможны таким образом без каких-либо проблем».

(в) ТУ Вена

Кроме борной кислоты могут применяться и другие химические вещества; были также исследованы гидраты солей. Борная кислота и гидратированные соли сочетают в себе несколько преимуществ: они недороги, легкодоступны, относительно безвредны и могут храниться в течение любого периода времени. Кроме того, они стабильны в течение многих циклов, а используемое масло обеспечивает оптимальную теплопередачу.

Химическое накопление тепла как часть общего процесса

Большое преимущество изобретения заключается в возможности долговременного хранения количества тепла, которое в противном случае было бы просто потеряно, а также в его использовании по запросу. Профессор Винтер убежден, что эта система химического накопления тепла представляет собой значительный прогресс и найдет применение в ближайшие годы. Реакторную технологию можно легко масштабировать от небольших бытовых применений, таких как отопление и водоснабжение, до промышленных масштабов, хотя пока неизвестно, насколько малыми они могут быть и при этом иметь смысл. Кроме того, точная эффективность процесса в настоящее время не может быть оценена и будет зависеть от того, насколько мал реактор.

Химическое накопление тепла как средство оптимизации процесса

На промышленных предприятиях всегда необходимо оптимизировать весь процесс. Например, размер суспензионного реактора будет зависеть от области применения. Процесс также должен быть адаптирован к конкретным количествам тепла и температурам, а также к типу уже установленного энергетического технологического оборудования. Кроме того, возникнет потребность в краткосрочном хранении как для обеспечения горячей водой на постоянной основе, так и в долговременном хранении для переноса тепла с лета на зиму. Поэтому, по словам профессора Винтера, требуется комплексное решение, максимально интегрированное в установку и отвечающее всем требованиям. Вот почему он продолжит интенсивное исследование технологии с отраслевыми партнерами, чтобы выяснить, как система может быть применена наилучшим образом и наиболее эффективно.

Экономичный и экологически чистый

Еще одним преимуществом этого типа химического аккумулирования тепла является его экологичность. Аккумулирование энергии без выбросов, а также связано с низкими материальными затратами. Это связано с тем, что суспензия, т. е. гетерогенная смесь борной кислоты, масла и воды, может использоваться во многих процессах зарядки и разрядки и сохраняется в течение многих лет или дольше.

Требуемая температура от 70 до 200 градусов по Цельсию также может быть достигнута с использованием солнечных коллекторов и геотермальной энергии. Команда также планирует продолжить исследования в этой области в сотрудничестве с экспертами.

Исследовательская группа планирует в этом году заложить основу для дальнейших разработок и уверена, что через два-три года она сможет перейти от лаборатории к заводу непрерывного действия.

Инновационная комбинированная выработка тепла и электроэнергии для автономного энергоснабжения

КИТ разрабатывает гибридную систему хранения нового типа, состоящую из комбинации литий-ионной и проточной окислительно-восстановительной батареи.

Материалы для накопления тепла (Heatorage™ / Comformer™) | ПРОДУКТ

• ПРОДУКТ
• Материалы для накопления тепла (Heatorage™ / Comformer™)

ПРОДУКТ

• Что такое Heatorage™ / Comformer™?
• Для листового использования: Heatorage™
• Применение: Архитектурный материал
• Для использования волокна: Comformer™
• Применение: Одежда
• Расследование

Что такое Heatorage™ / Comformer™?

1. Полимеры, аккумулирующие скрытую теплоту, сохраняющие твердую фазу при изменении фазы.
2. Heatorage™ и Comformer™ обладают свойствами аккумулирования тепла; нет проблем с утечкой жидкостного теплоаккумулирующего компонента, такого как парафин.

1. Различные применения (листы, пенопласт, волокна и др.)

Для листов: Heatorage™

1. Контролирует экзотермическое и эндотермическое поведение при определенных температурах от 20 до 50℃.

1. Сохраняет твердое состояние после формования при практической температуре. Не требует микрокапсулы, алюминиевой упаковки, пластиковой упаковки и т.п., чтобы предотвратить утечку компонента, аккумулирующего тепло.
2. Формованные изделия легко обрабатываются (режутся, прибиваются гвоздями, сшиваются скобами и т. п.) и могут применяться для изготовления архитектурных материалов, автомобилей, электронных устройств и многих других.

Применение: Архитектурный материал

1. Летом

Heatorage™ значительно снижает количество тепла, попадающего в помещение в летние месяцы, если он установлен внутри изоляции крыши. Это способствует энергосбережению за счет сокращения использования кондиционеров.

2. Зимой

Heatorage™, установленный на полу или стенах помещения, может накапливать солнечное тепло от окон в дневное время и отдавать его в помещение ночью. Контролирует колебания температуры и способствует сокращению использования кондиционера.

Для использования с волокном: Comformer™

1. Волокна Comformer™ можно придать функции контроля температуры (25-35℃)
2. Comformer™ можно подвергать формованию из расплава для получения волокна без использования микрокапсул парафина.
   
   Химический аккумулятор тепла: Рациональное использование тепла: тепловые аккумуляторы